JPH06326406A - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- JPH06326406A JPH06326406A JP5157740A JP15774093A JPH06326406A JP H06326406 A JPH06326406 A JP H06326406A JP 5157740 A JP5157740 A JP 5157740A JP 15774093 A JP15774093 A JP 15774093A JP H06326406 A JPH06326406 A JP H06326406A
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
- H01S5/2009—Confining in the direction perpendicular to the layer structure by using electron barrier layers
- H01S5/2013—MQW barrier reflection layers
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
- H01S5/34326—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on InGa(Al)P, e.g. red laser
Abstract
(57)【要約】
【目的】 電子あるいは正孔が活性層からクラッド層へ
オーバーフローすることを抑制し、しきい値電流密度が
低く、高効率で温度特性の良好な半導体レーザ装置を提
供すること。 【構成】 活性層６とこれを挟むクラッド層４，８を基
本構成要素とする半導体レーザ装置において、活性層６
とクラッド層４，８の間あるいは活性層６に近いクラッ
ド層４，８の中に、逆格子空間のΓ点近傍の電子或いは
正孔に対する反射率と、他の一つ以上の主要な対称点近
傍の電子或いは正孔に対する反射率とがともに高い井戸
層と障壁層を重ね合わせた多重量子障壁層７を設ける。
オーバーフローすることを抑制し、しきい値電流密度が
低く、高効率で温度特性の良好な半導体レーザ装置を提
供すること。 【構成】 活性層６とこれを挟むクラッド層４，８を基
本構成要素とする半導体レーザ装置において、活性層６
とクラッド層４，８の間あるいは活性層６に近いクラッ
ド層４，８の中に、逆格子空間のΓ点近傍の電子或いは
正孔に対する反射率と、他の一つ以上の主要な対称点近
傍の電子或いは正孔に対する反射率とがともに高い井戸
層と障壁層を重ね合わせた多重量子障壁層７を設ける。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザプリンター装置
やバーコード読み取り装置の光源として使用できる高効
率で温度特性の良好な半導体レーザ装置に関するもので
ある。
やバーコード読み取り装置の光源として使用できる高効
率で温度特性の良好な半導体レーザ装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ装置は、活性層とこれを挟
むクラッド層を基本構成要素として有している。半導体
レーザ装置において使用される半導体材料としては、種
々存在するが、たとえば、短波長発振を行う赤色半導体
レーザは、通常ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成されてい
る。なおここでいう短波長とは、一般的な半導体レーザ
の発振帯域である赤外線の波長よりも波長が短いこと意
味している。
むクラッド層を基本構成要素として有している。半導体
レーザ装置において使用される半導体材料としては、種
々存在するが、たとえば、短波長発振を行う赤色半導体
レーザは、通常ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成されてい
る。なおここでいう短波長とは、一般的な半導体レーザ
の発振帯域である赤外線の波長よりも波長が短いこと意
味している。
【０００３】しかしながら、このＡｌＧａＩｎＰ系材料
では、クラッド層と活性層のバンドギャップの差を大き
くとることができず、キャリアー特に電子が活性層から
クラッド層へオーバーフローしてレーザ特性を低下させ
るという問題点があった。すなわち、キャリアーのオバ
ーフローのために発光効率が低くまた温度特性が悪いと
いう問題があった。
では、クラッド層と活性層のバンドギャップの差を大き
くとることができず、キャリアー特に電子が活性層から
クラッド層へオーバーフローしてレーザ特性を低下させ
るという問題点があった。すなわち、キャリアーのオバ
ーフローのために発光効率が低くまた温度特性が悪いと
いう問題があった。
【０００４】そこで、この問題を解決する手段として、
多重量子障壁構造が提案された。多重量子障壁は、井戸
層と障壁層を交互に積層した超格子であり、そのポテン
シャル変化や有効質量の変化により、多重量子障壁を構
成する障壁層より高いエネルギーの電子を反射すること
ができる。このような多重量子障壁層を活性層とクラッ
ド層の間、あるいは活性層に近いクラッド層の中に設け
ると、活性層の中の電子のオーバーフローを抑制するこ
とができ、温度特性や効率などのレーザ特性を向上させ
ることができる（特開平４−１１４４８６号公報、高木
他「多重量子障壁（ＭＱＢ）の設計と電子波反射効果の
実験的検証」，電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ Ｖｏ
ｌ．Ｊ７４−Ｃ−Ｉ Ｎｏ．１２，ｐｐ．５２７−５３
５，１９９１年１２月、有本他「ＡｌＧａＩｎＰ可視光
レーザにおけるＭＱＢの効果に関する実験的検証」，１
９９２年秋期第５３回応用物理学会学術講演会，１９ａ
−Ｖ−５、Ｆｕｒｕｙａ他「Ｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ Ｍ
ｕｌｔｉｑｕａｎｔａｍ Ｂａｒｒｉｅｒｓ ｆｏｒ
ＩｎＧａＡｌＰ Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」，
ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ Ｅ
ＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， ＶＯＬ．２８，ＮＯ．１０，
ＯＣＴＯＢＥＲ １９９２，ｐｐ．１９７７−１９８２
等参照）。
多重量子障壁構造が提案された。多重量子障壁は、井戸
層と障壁層を交互に積層した超格子であり、そのポテン
シャル変化や有効質量の変化により、多重量子障壁を構
成する障壁層より高いエネルギーの電子を反射すること
ができる。このような多重量子障壁層を活性層とクラッ
ド層の間、あるいは活性層に近いクラッド層の中に設け
ると、活性層の中の電子のオーバーフローを抑制するこ
とができ、温度特性や効率などのレーザ特性を向上させ
ることができる（特開平４−１１４４８６号公報、高木
他「多重量子障壁（ＭＱＢ）の設計と電子波反射効果の
実験的検証」，電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ Ｖｏ
ｌ．Ｊ７４−Ｃ−Ｉ Ｎｏ．１２，ｐｐ．５２７−５３
５，１９９１年１２月、有本他「ＡｌＧａＩｎＰ可視光
レーザにおけるＭＱＢの効果に関する実験的検証」，１
９９２年秋期第５３回応用物理学会学術講演会，１９ａ
−Ｖ−５、Ｆｕｒｕｙａ他「Ｓｕｐｅｒｐｏｓｅｄ Ｍ
ｕｌｔｉｑｕａｎｔａｍ Ｂａｒｒｉｅｒｓ ｆｏｒ
ＩｎＧａＡｌＰ Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎｓ」，
ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ Ｅ
ＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， ＶＯＬ．２８，ＮＯ．１０，
ＯＣＴＯＢＥＲ １９９２，ｐｐ．１９７７−１９８２
等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これまで報告
されてきた多重量子障壁構造は、逆格子空間における対
称点の一つであるΓ点近傍の電子の反射のみを考慮した
ものであり、その他の主要な対称点であるＸ点やＬ点な
どの近傍に存在する電子の反射を考慮していなかった。
なお、逆格子空間とは、結晶構造を表現するための空間
であって、結晶の構造の実格子と逆格子空間の逆格子と
は、予め決められた変換式に基づいて相互に変換可能で
ある。この逆格子空間を使用して、結晶中の電子や正孔
の振る舞いを記述すると物理的な取り扱いが容易とな
る。この逆格子空間を使用して各種格子を立体的に表現
した場合に、対称性の良い点がΓ点、Ｌ点、Ｘ点等と呼
ばれている。
されてきた多重量子障壁構造は、逆格子空間における対
称点の一つであるΓ点近傍の電子の反射のみを考慮した
ものであり、その他の主要な対称点であるＸ点やＬ点な
どの近傍に存在する電子の反射を考慮していなかった。
なお、逆格子空間とは、結晶構造を表現するための空間
であって、結晶の構造の実格子と逆格子空間の逆格子と
は、予め決められた変換式に基づいて相互に変換可能で
ある。この逆格子空間を使用して、結晶中の電子や正孔
の振る舞いを記述すると物理的な取り扱いが容易とな
る。この逆格子空間を使用して各種格子を立体的に表現
した場合に、対称性の良い点がΓ点、Ｌ点、Ｘ点等と呼
ばれている。
【０００６】上記従来の多重量子障壁構造では、Γ点近
傍の電子は効率よく反射されクラッド層へのオーバーフ
ローは抑制されるが、Ｘ点やＬ点近傍の電子は反射され
ずオーバーフローする。従って、高いエネルギーを持っ
た電子は、エネルギー準位の低いＸ点やＬ点近傍に移動
してクラッド層へオーバーフローすることになる。
傍の電子は効率よく反射されクラッド層へのオーバーフ
ローは抑制されるが、Ｘ点やＬ点近傍の電子は反射され
ずオーバーフローする。従って、高いエネルギーを持っ
た電子は、エネルギー準位の低いＸ点やＬ点近傍に移動
してクラッド層へオーバーフローすることになる。
【０００７】図１０に、前記高木他「多重量子障壁（Ｍ
ＱＢ）の設計と電子波反射効果の実験的検証」，電子情
報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｃ−Ｉ Ｎ
ｏ．１２，ｐｐ．５２７−５３５，１９９１年１２月で
提案された多重量子障壁のΓ点とＸ点のバンド構造を示
す。この構造では、クラッド層５１と多重量子障壁５２
の障壁層５３を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）ＩｎＰ組成で構成
し、Γ点とＸ点のエネルギー準位をほぼ同じにしてい
る。また、井戸層５４はＧａＩｎＰで構成している。な
お、５４はＧａＩｎＰ活性層である。
ＱＢ）の設計と電子波反射効果の実験的検証」，電子情
報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｃ−Ｉ Ｎ
ｏ．１２，ｐｐ．５２７−５３５，１９９１年１２月で
提案された多重量子障壁のΓ点とＸ点のバンド構造を示
す。この構造では、クラッド層５１と多重量子障壁５２
の障壁層５３を（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）ＩｎＰ組成で構成
し、Γ点とＸ点のエネルギー準位をほぼ同じにしてい
る。また、井戸層５４はＧａＩｎＰで構成している。な
お、５４はＧａＩｎＰ活性層である。
【０００８】このようなΓ点のバンド構造の多重量子障
壁による電子の反射率の一例を図１１に示す。但し、Ｕ
0 は１１５ｍｅＶ、井戸層厚さが６原子層、障壁層厚さ
が５原子層である。図１１に示されるグラフから判るよ
うに、多重量子障壁を使用した場合、比較的高いエネル
ギーの電子でも反射率が高く、オーバーフローが抑制さ
れることが理解できる。しかし、活性層５５のΓ点近傍
から多重量子障壁の第一障壁層５３ａ（図１０参照）の
Ｘ点近傍に移動した電子は、図１２に示すような反射率
で反射される。図１２に示されるグラフから判るよう
に、Ｘ点近傍の電子の反射率は、あるエネルギー領域
（図１２の例では１２０ｍｅＶ近傍）で低くなってお
り、この領域の電子は、多重量子障壁５２を通り抜けク
ラッド層５１へオーバーフローする。従って、電子は活
性層５４から外へオーバーフローすることになる。
壁による電子の反射率の一例を図１１に示す。但し、Ｕ
0 は１１５ｍｅＶ、井戸層厚さが６原子層、障壁層厚さ
が５原子層である。図１１に示されるグラフから判るよ
うに、多重量子障壁を使用した場合、比較的高いエネル
ギーの電子でも反射率が高く、オーバーフローが抑制さ
れることが理解できる。しかし、活性層５５のΓ点近傍
から多重量子障壁の第一障壁層５３ａ（図１０参照）の
Ｘ点近傍に移動した電子は、図１２に示すような反射率
で反射される。図１２に示されるグラフから判るよう
に、Ｘ点近傍の電子の反射率は、あるエネルギー領域
（図１２の例では１２０ｍｅＶ近傍）で低くなってお
り、この領域の電子は、多重量子障壁５２を通り抜けク
ラッド層５１へオーバーフローする。従って、電子は活
性層５４から外へオーバーフローすることになる。
【０００９】以上のように、従来提案された多重量子障
壁構造では、キャリアーのオーバーフローは十分抑制さ
れておらず、多重量子障壁構造は最適化されていなかっ
た。
壁構造では、キャリアーのオーバーフローは十分抑制さ
れておらず、多重量子障壁構造は最適化されていなかっ
た。
【００１０】本発明は、電子あるいは正孔が活性層から
クラッド層へオーバーフローすることを抑制し、しきい
値電流密度が低く、高効率で温度特性の良好な半導体レ
ーザ装置を提供することにある。
クラッド層へオーバーフローすることを抑制し、しきい
値電流密度が低く、高効率で温度特性の良好な半導体レ
ーザ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、前記目的を達成するため、活性層とこれを挟むク
ラッド層を基本構成要素とする半導体レーザ装置におい
て、活性層とクラッド層の間あるいは活性層に近いクラ
ッド層の中に、逆格子空間のΓ点近傍の電子或いは正孔
に対する反射率と、他の一つ以上の主要な対称点近傍の
電子或いは正孔に対する反射率とがともに高い井戸層と
障壁層を重ね合わせた多重量子障壁層を有することを特
徴とする。
置は、前記目的を達成するため、活性層とこれを挟むク
ラッド層を基本構成要素とする半導体レーザ装置におい
て、活性層とクラッド層の間あるいは活性層に近いクラ
ッド層の中に、逆格子空間のΓ点近傍の電子或いは正孔
に対する反射率と、他の一つ以上の主要な対称点近傍の
電子或いは正孔に対する反射率とがともに高い井戸層と
障壁層を重ね合わせた多重量子障壁層を有することを特
徴とする。
【００１２】
【作用】本発明では、電子が活性層からクラッド層へオ
ーバーフローすることを抑制するために、逆格子空間の
Γ点近傍の電子とその他の一つ以上の主要な対称点近傍
の電子に対して、同時にその反射率が高くなるように井
戸層と障壁層の厚さと組成を設定した超格子層（多重量
子障壁層）を、活性層とクラッド層の間あるいは活性層
に近いクラッド層の中に設ける。
ーバーフローすることを抑制するために、逆格子空間の
Γ点近傍の電子とその他の一つ以上の主要な対称点近傍
の電子に対して、同時にその反射率が高くなるように井
戸層と障壁層の厚さと組成を設定した超格子層（多重量
子障壁層）を、活性層とクラッド層の間あるいは活性層
に近いクラッド層の中に設ける。
【００１３】Γ点以外の考慮すべき主要な対称点とし
て、クラッド層の伝導帯の底を形成する対称点をとる。
もし、この点がΓ点である場合は、この次にエネルギー
準位の低い対称点をとる。通常はこれら二つの対称点を
考慮して、電子の反射率を高くするように多重量子障壁
構造を設計すればよいが、これ以外の対称点を考慮して
もよい。
て、クラッド層の伝導帯の底を形成する対称点をとる。
もし、この点がΓ点である場合は、この次にエネルギー
準位の低い対称点をとる。通常はこれら二つの対称点を
考慮して、電子の反射率を高くするように多重量子障壁
構造を設計すればよいが、これ以外の対称点を考慮して
もよい。
【００１４】電子のオーバーフローを抑制するために、
多重量子障壁は通常、ｐ型クラッド層側に設けられる
が、レーザ構造の対称性を考慮してｐ型とｎ型の両方の
クラッド層に設けてもよい。
多重量子障壁は通常、ｐ型クラッド層側に設けられる
が、レーザ構造の対称性を考慮してｐ型とｎ型の両方の
クラッド層に設けてもよい。
【００１５】電子のオーバーフローを抑制するための多
重量子障壁を、歪結晶を用いて構成することもできる。
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの場合、ＧａＡｓ基板上
にこれを格子整合するような組成のＡｌＧａＩｎＰ結晶
を成長するが、この組成をずらし、例えばＧａ0.4 Ｉｎ
0.6 Ｐ井戸層（圧縮歪）とＡｌ0.6 Ｉｎ0.4 Ｐ障壁層
（引っ張り歪）で多重量子障壁を構成すると、井戸層の
バンドギャップは小さく、障壁層のバンドギャップは大
きくなるので、多重量子障壁の伝導帯や価電子帯のポテ
ンシャル変化が大きくなる。従って、電子や正孔の反射
が起こりやすく、より効果的な多重量子障壁を形成する
ことができる。
重量子障壁を、歪結晶を用いて構成することもできる。
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの場合、ＧａＡｓ基板上
にこれを格子整合するような組成のＡｌＧａＩｎＰ結晶
を成長するが、この組成をずらし、例えばＧａ0.4 Ｉｎ
0.6 Ｐ井戸層（圧縮歪）とＡｌ0.6 Ｉｎ0.4 Ｐ障壁層
（引っ張り歪）で多重量子障壁を構成すると、井戸層の
バンドギャップは小さく、障壁層のバンドギャップは大
きくなるので、多重量子障壁の伝導帯や価電子帯のポテ
ンシャル変化が大きくなる。従って、電子や正孔の反射
が起こりやすく、より効果的な多重量子障壁を形成する
ことができる。
【００１６】正孔のオーバーフローを抑制するための多
重量子障壁構造の設計指針は、上記で述べた電子の場合
と基本的には同じであるが、正孔は価電子帯に存在する
ので、Γ点以外の考慮すべき主要な対称点は、クラッド
層の価電子帯の頂上を形成する対称点になる。もしこの
点がΓ点である場合は、この次にエネルギー準位の低い
対称点をとる。
重量子障壁構造の設計指針は、上記で述べた電子の場合
と基本的には同じであるが、正孔は価電子帯に存在する
ので、Γ点以外の考慮すべき主要な対称点は、クラッド
層の価電子帯の頂上を形成する対称点になる。もしこの
点がΓ点である場合は、この次にエネルギー準位の低い
対称点をとる。
【００１７】いま、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で作製された
赤色半導体レーザにおける組成とエネルギー準位との関
係を考える。図１は、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0・5 Ｉｎ0.5
Ｐ材料のエネルギーバンド図である。横軸は組成比を示
し、縦軸は伝導帯及び価電子帯のバンド不連続値ΔＥ
ｃ，ΔＥｖを示す。ＡｌＧａＩｎＰ系材料で作製された
赤色半導体レーザの場合、キャリアーのオーバーフロー
が問題となる伝導帯において、Γ点およびＸ点のポテン
シャル変化ΔΓ，ΔＸを最も大きくとれる材料の組合せ
は、図１から判るようにＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰであ
る。図１に示されているように、ＡｌＩｎＰの伝導帯の
底はＸ点であり、そのエネルギー準位は（Ａｌ0.7 Ｇａ
0.3 ）ＩｎＰのΓ点より低いが、多重量子障壁による電
子の反射においては、ポテンシャル変化量が大きいほど
その反射の効果を大きくするので、これを最大にとった
方が有利なことが多い。したがって、多重量子障壁の井
戸層と障壁層としてＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰを選択す
る。
赤色半導体レーザにおける組成とエネルギー準位との関
係を考える。図１は、（Ａｌx Ｇａ1-x ）0・5 Ｉｎ0.5
Ｐ材料のエネルギーバンド図である。横軸は組成比を示
し、縦軸は伝導帯及び価電子帯のバンド不連続値ΔＥ
ｃ，ΔＥｖを示す。ＡｌＧａＩｎＰ系材料で作製された
赤色半導体レーザの場合、キャリアーのオーバーフロー
が問題となる伝導帯において、Γ点およびＸ点のポテン
シャル変化ΔΓ，ΔＸを最も大きくとれる材料の組合せ
は、図１から判るようにＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰであ
る。図１に示されているように、ＡｌＩｎＰの伝導帯の
底はＸ点であり、そのエネルギー準位は（Ａｌ0.7 Ｇａ
0.3 ）ＩｎＰのΓ点より低いが、多重量子障壁による電
子の反射においては、ポテンシャル変化量が大きいほど
その反射の効果を大きくするので、これを最大にとった
方が有利なことが多い。したがって、多重量子障壁の井
戸層と障壁層としてＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰを選択す
る。
【００１８】このようなＧａＩｎＰとＡｌＩｎＰからな
る井戸層と障壁層を、図２（ａ），図２（ｂ）に示すよ
うに１０回積層した多重量子障壁によるＸ点近傍の電子
の反射率を図２（ｂ）〜（ｄ）に示し、Γ点近傍の電子
の反射率を図３（ｂ）〜（ｄ）に示す。ここでＧａＩｎ
ＰとＡｌＩｎＰの有効質量はそれぞれ０．１１ｍ0 、
０．２０ｍ0 とし（ｍ0 は電子の質量）、ＧａＩｎＰと
ＡｌＩｎＰの伝導帯のΓ点とＸ点のエネルギー差を２４
０ｍｅＶと１６０ｍｅＶとした。井戸幅（Ｌｚ）と障壁
幅（Ｌｂ）は同じとしてその周期（Ｌｚ＋Ｌｂ）を変化
させた場合の反射率を図２，図３の（ｂ）〜（ｄ）に示
してある。すなわち、各図（ｂ）はＬｚ＝Ｌｂ＝１４．
２Å、各図（ｃ）はＬｚ＝Ｌｂ＝１９．８Å、各図
（ｄ）はＬｚ＝Ｌｂ＝３１．１Åの場合を示している。
る井戸層と障壁層を、図２（ａ），図２（ｂ）に示すよ
うに１０回積層した多重量子障壁によるＸ点近傍の電子
の反射率を図２（ｂ）〜（ｄ）に示し、Γ点近傍の電子
の反射率を図３（ｂ）〜（ｄ）に示す。ここでＧａＩｎ
ＰとＡｌＩｎＰの有効質量はそれぞれ０．１１ｍ0 、
０．２０ｍ0 とし（ｍ0 は電子の質量）、ＧａＩｎＰと
ＡｌＩｎＰの伝導帯のΓ点とＸ点のエネルギー差を２４
０ｍｅＶと１６０ｍｅＶとした。井戸幅（Ｌｚ）と障壁
幅（Ｌｂ）は同じとしてその周期（Ｌｚ＋Ｌｂ）を変化
させた場合の反射率を図２，図３の（ｂ）〜（ｄ）に示
してある。すなわち、各図（ｂ）はＬｚ＝Ｌｂ＝１４．
２Å、各図（ｃ）はＬｚ＝Ｌｂ＝１９．８Å、各図
（ｄ）はＬｚ＝Ｌｂ＝３１．１Åの場合を示している。
【００１９】図２および図３から一種類の井戸層と障壁
層で構成した多重量子障壁の電子の反射率が判明した。
これらを組合わせることにより、最も効率よく電子を反
射する構造が得られる。種類の異なる井戸層と障壁層で
構成した多重量子障壁の例を図４、図５に示す。
層で構成した多重量子障壁の電子の反射率が判明した。
これらを組合わせることにより、最も効率よく電子を反
射する構造が得られる。種類の異なる井戸層と障壁層で
構成した多重量子障壁の例を図４、図５に示す。
【００２０】図４では、ＧａＩｎＰの１０原子層（厚み
２８．３Å）とＡｌＩｎＰの１０原子層を対にした５回
周期の第１の層Ａ１と、同様に６原子層（厚み１７Å）
と６原子層を対にした７回周期の第２の層Ａ２と、４原
子層（厚み１４．２Å）と４原子層を対にした９回周期
の第３の層Ａ３とを組み合せた構造を採用した。図４
（ａ）はΓ点のバンド構造、同図（ｂ）はΓ点の電子の
反射率、同図（ｃ）はＸ点の電子の反射率示す。図４
（ａ）に示す構造の場合、同図（ｂ）に示すように、Γ
点近傍の電子に関しては、低エネルギーから約７００ｍ
ｅＶまで反射率は略１であり、また、同図（ｃ）に示す
ように、Ｘ点近傍の電子に関しては、低エネルギーから
約２５０ｍｅＶまでその反射率は略１である。
２８．３Å）とＡｌＩｎＰの１０原子層を対にした５回
周期の第１の層Ａ１と、同様に６原子層（厚み１７Å）
と６原子層を対にした７回周期の第２の層Ａ２と、４原
子層（厚み１４．２Å）と４原子層を対にした９回周期
の第３の層Ａ３とを組み合せた構造を採用した。図４
（ａ）はΓ点のバンド構造、同図（ｂ）はΓ点の電子の
反射率、同図（ｃ）はＸ点の電子の反射率示す。図４
（ａ）に示す構造の場合、同図（ｂ）に示すように、Γ
点近傍の電子に関しては、低エネルギーから約７００ｍ
ｅＶまで反射率は略１であり、また、同図（ｃ）に示す
ように、Ｘ点近傍の電子に関しては、低エネルギーから
約２５０ｍｅＶまでその反射率は略１である。
【００２１】図５では、ＧａＩｎＰの１１原子層（厚み
３１．３Å）とＡｌＩｎＰの１１原子層を対にした５回
周期の第１の層Ｂ１と、同様に６原子層（厚み１７Å）
と６原子層を対にした５回周期の第２の層Ｂ２と、４原
子層（厚み１４．２Å）と４原子層を対にした１０回周
期の第３の層Ｂ３とを組み合せた構造を採用した。図５
（ａ）はΓ点のバンド構造、同図（ｂ）はΓ点の電子の
反射率、同図（ｃ）はＸ点の電子の反射率示す。図５
（ａ）に示す構造の場合、同図（ｂ）に示すように、Γ
点近傍の電子に関しては低エネルギーから約７５０ｍｅ
Ｖまで反射率は略１であり、また、同図（ｃ）に示すよ
うに、Ｘ点近傍の電子に関しては低エネルギーから約２
５０ｍｅＶまでその反射率は略１である。
３１．３Å）とＡｌＩｎＰの１１原子層を対にした５回
周期の第１の層Ｂ１と、同様に６原子層（厚み１７Å）
と６原子層を対にした５回周期の第２の層Ｂ２と、４原
子層（厚み１４．２Å）と４原子層を対にした１０回周
期の第３の層Ｂ３とを組み合せた構造を採用した。図５
（ａ）はΓ点のバンド構造、同図（ｂ）はΓ点の電子の
反射率、同図（ｃ）はＸ点の電子の反射率示す。図５
（ａ）に示す構造の場合、同図（ｂ）に示すように、Γ
点近傍の電子に関しては低エネルギーから約７５０ｍｅ
Ｖまで反射率は略１であり、また、同図（ｃ）に示すよ
うに、Ｘ点近傍の電子に関しては低エネルギーから約２
５０ｍｅＶまでその反射率は略１である。
【００２２】上記のような種類の異なる井戸層と障壁層
を組み合わせた構造の多重量子障壁により、Γ点とＸ点
両方の近傍において、低エネルギーから高エネルギーの
領域の電子に対する反射率を１に近くすることが可能に
なり、電子が活性層からクラッド層へオーバーフローす
ることを効率的に抑制することができる。
を組み合わせた構造の多重量子障壁により、Γ点とＸ点
両方の近傍において、低エネルギーから高エネルギーの
領域の電子に対する反射率を１に近くすることが可能に
なり、電子が活性層からクラッド層へオーバーフローす
ることを効率的に抑制することができる。
【００２３】なお、多重量子障壁における井戸層と障壁
層の厚み及び周期は上述した実施例に示した値に限られ
るものではない。すなわち、ＧａＩｎＰの井戸層とＡｌ
ＩｎＰの障壁層を各々２５Å〜３５Å以上の厚さの層で
３周期以上と、各々１５Å〜２５Åまでの厚さの層で５
周期以上と、各々１０Å〜１５Å厚さの層で５周期以上
で構成すれば、電子が活性層からクラッド層へオーバー
フローすることを効率的に抑制する多重量子障壁構造が
得られる。
層の厚み及び周期は上述した実施例に示した値に限られ
るものではない。すなわち、ＧａＩｎＰの井戸層とＡｌ
ＩｎＰの障壁層を各々２５Å〜３５Å以上の厚さの層で
３周期以上と、各々１５Å〜２５Åまでの厚さの層で５
周期以上と、各々１０Å〜１５Å厚さの層で５周期以上
で構成すれば、電子が活性層からクラッド層へオーバー
フローすることを効率的に抑制する多重量子障壁構造が
得られる。
【００２４】上記の例では多重量子障壁の井戸幅と障壁
幅を同じとし、活性層からクラッド層に向かって各層の
幅を順次小さくしたが、これらの順序を変えても同様の
結果が得られる。さらに上記の例では、井戸層と障壁層
の幅を同じとして数周期繰り返しているが、幅の異なる
井戸層と障壁層を積層して多重量子障壁を形成すること
もできる。また、上記の例では多重量子障壁の井戸幅と
障壁幅を１原子層の整数倍としたが、もちろんこれらの
中間の幅に設定してもよい。
幅を同じとし、活性層からクラッド層に向かって各層の
幅を順次小さくしたが、これらの順序を変えても同様の
結果が得られる。さらに上記の例では、井戸層と障壁層
の幅を同じとして数周期繰り返しているが、幅の異なる
井戸層と障壁層を積層して多重量子障壁を形成すること
もできる。また、上記の例では多重量子障壁の井戸幅と
障壁幅を１原子層の整数倍としたが、もちろんこれらの
中間の幅に設定してもよい。
【００２５】また、上記の例では、多重量子障壁の井戸
層をＧａＩｎＰ、障壁層をＡｌＩｎＰとしたが、井戸層
を （Ａｌx ＧＡ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ （０＜ｘ＜１、０．
３＜ｙ＜０．７） 障壁層を （Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ （０＜ｘ＜１、０．
３＜ｙ＜０．７） とし、井戸層のバンドギャップを障壁層のそれより小さ
くする構成で多重量子障壁を形成することができる。
層をＧａＩｎＰ、障壁層をＡｌＩｎＰとしたが、井戸層
を （Ａｌx ＧＡ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ （０＜ｘ＜１、０．
３＜ｙ＜０．７） 障壁層を （Ａｌx Ｇａ1-x ）y Ｉｎ1-y Ｐ （０＜ｘ＜１、０．
３＜ｙ＜０．７） とし、井戸層のバンドギャップを障壁層のそれより小さ
くする構成で多重量子障壁を形成することができる。
【００２６】
【実施例】本発明を適用したレーザ構造の実施例を以下
にあげる。
にあげる。
【００２７】〔実施例１〕図６（ａ）に示すように、Ｓ
ｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１上にＳｉドープｎ型ＧａＡ
ｓ（以下ＧａＡｓ：Ｓｉと記す）バッファー層２を０．
２μｍ、ｎ型ＧａＩｎＰ：Ｓｉバッファー層３を０．２
μｍ、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）ＩｎＰ：Ｓｉクラッド
層４を０．６μｍ、順次積層する。
ｉドープｎ型ＧａＡｓ基板１上にＳｉドープｎ型ＧａＡ
ｓ（以下ＧａＡｓ：Ｓｉと記す）バッファー層２を０．
２μｍ、ｎ型ＧａＩｎＰ：Ｓｉバッファー層３を０．２
μｍ、ｎ型（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）ＩｎＰ：Ｓｉクラッド
層４を０．６μｍ、順次積層する。
【００２８】次に、８．５Å厚さのＧａＩｎＰ井戸層と
８．５Å厚さの（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3）ＩｎＰ障壁層で構
成された超格子クラッド層（Ｓｉドープ）５を約８００
Å厚さに成長させる。この超格子クラッド層５の上に活
性層６であるノンドープＧａＩｎＰ層を４００Å厚さに
成長させる。
８．５Å厚さの（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3）ＩｎＰ障壁層で構
成された超格子クラッド層（Ｓｉドープ）５を約８００
Å厚さに成長させる。この超格子クラッド層５の上に活
性層６であるノンドープＧａＩｎＰ層を４００Å厚さに
成長させる。
【００２９】次に、ｐ型ドーピングした多重量子障壁７
を厚さ約８３０Åに成長させる。この多重量子障壁７の
構造は、図６（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＰの１０原
子層（厚み２８．３Å）とＡｌＩｎＰの１０原子層を対
にした５回周期の第１の層Ａ１と、同様に６原子層（厚
み１７Å）と６原子層を対にした７回周期の第２の層Ａ
２と、４原子層（厚み１４．２Å）と４原子層を対にし
た９回周期の第３の層Ａ３とをこの順に成長した構造と
する。この多重量子障壁７の上にｐ型ＡｌＩｎＰ：Ｂｅ
クラッド層８を０．６μｍ、ｐ型ＧａＩｎＰ：Ｂｅキャ
ップ層９を０．１μｍ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０
を０．１５μｍ積層する。
を厚さ約８３０Åに成長させる。この多重量子障壁７の
構造は、図６（ｂ）に示すように、ＧａＩｎＰの１０原
子層（厚み２８．３Å）とＡｌＩｎＰの１０原子層を対
にした５回周期の第１の層Ａ１と、同様に６原子層（厚
み１７Å）と６原子層を対にした７回周期の第２の層Ａ
２と、４原子層（厚み１４．２Å）と４原子層を対にし
た９回周期の第３の層Ａ３とをこの順に成長した構造と
する。この多重量子障壁７の上にｐ型ＡｌＩｎＰ：Ｂｅ
クラッド層８を０．６μｍ、ｐ型ＧａＩｎＰ：Ｂｅキャ
ップ層９を０．１μｍ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０
を０．１５μｍ積層する。
【００３０】この実施例１は、先に説明した図４（ａ）
に示す構造にに対応するものであり、同図（ｂ），
（ｃ）から判るように、高いエネルギーに対しても十分
な反射が得られる。
に示す構造にに対応するものであり、同図（ｂ），
（ｃ）から判るように、高いエネルギーに対しても十分
な反射が得られる。
【００３１】〔実施例２〕実施例２は、実施例１の活性
層６を量子井戸活性層としたものである。活性層は、図
７に示すように、１００Å厚さのＧａＩｎＰの三つの層
６ｂ，６ｄ，６ｆの各層を５０Å厚さの短周期超格子６
ａ，６ｃ，６ｅ，６ｇで挟んだ構造を有している。すな
わち、５０Å厚さの超格子／１００Å厚さの量子井戸／
５０Å厚さの超格子／１００Åの量子井戸／５０Å厚さ
の超格子／１００Å厚さの量子井戸／５０Å厚さの超格
子の順に積層した量子井戸構造とする。各短周期超格子
６ａ，６ｃ，６ｅ，６ｇは、５．６Å厚さのＧａＩｎＰ
／５．６Å厚さのＡｌＩｎＰを重ね合わせて構成する。
層６を量子井戸活性層としたものである。活性層は、図
７に示すように、１００Å厚さのＧａＩｎＰの三つの層
６ｂ，６ｄ，６ｆの各層を５０Å厚さの短周期超格子６
ａ，６ｃ，６ｅ，６ｇで挟んだ構造を有している。すな
わち、５０Å厚さの超格子／１００Å厚さの量子井戸／
５０Å厚さの超格子／１００Åの量子井戸／５０Å厚さ
の超格子／１００Å厚さの量子井戸／５０Å厚さの超格
子の順に積層した量子井戸構造とする。各短周期超格子
６ａ，６ｃ，６ｅ，６ｇは、５．６Å厚さのＧａＩｎＰ
／５．６Å厚さのＡｌＩｎＰを重ね合わせて構成する。
【００３２】このように、実施例１の活性層を量子井戸
活性層とすることにより、量子サイズ効果から、低しき
い値化、低電流密度化、高能率化、短波長化が可能とな
るという効果が得られる。
活性層とすることにより、量子サイズ効果から、低しき
い値化、低電流密度化、高能率化、短波長化が可能とな
るという効果が得られる。
【００３３】本実施例はレーザの縦構造に関する例であ
るが、この構造はコンタクトストライプ型レーザや埋め
込みへテロ構造レーザなど種々の横構造を有する半導体
レーザに適用できる。
るが、この構造はコンタクトストライプ型レーザや埋め
込みへテロ構造レーザなど種々の横構造を有する半導体
レーザに適用できる。
【００３４】また、本実施例ではＡｌＧａＩｎＰ系材料
を利用したレーザ結晶をとりあげたが、もちろんこれ以
外にもＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓＰ系など化合物半
導体材料全般に適用できる。
を利用したレーザ結晶をとりあげたが、もちろんこれ以
外にもＡｌＧａＡｓ系、ＧａＩｎＡｓＰ系など化合物半
導体材料全般に適用できる。
【００３５】次に、上述した多重量子障壁（ＭＱＢ：ｍ
ｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｒｒｉｅｒ）構造をレ
ーザ構造に適用した具体例について説明する。このレー
ザ構造は超格子クラッド層を光導波路とする単一量子井
戸（ＳＱＷ：ｓｉｎｇｌｅｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）
構造である。その作製方法を以下に示す。
ｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｒｒｉｅｒ）構造をレ
ーザ構造に適用した具体例について説明する。このレー
ザ構造は超格子クラッド層を光導波路とする単一量子井
戸（ＳＱＷ：ｓｉｎｇｌｅｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）
構造である。その作製方法を以下に示す。
【００３６】先ず、Ｓｉドープｎ型（１００）ＧａＡｓ
基板上にＳｉドープｎ型ＧａＡｓ（以下ＧａＡｓ：Ｓｉ
と記す）バッファー層を０．２μｍ、ｎ型ＧａＩｎＰ：
Ｓｉバッファー層を０．２μｍ、ｎ型ＡｌＩｎＰ：Ｓｉ
クラッド層を０．６μｍを順次積層する。次にノンドー
プの８．４Å厚さのＧａＩｎＰ井戸層と５．６Å厚さの
ＡｌＩｎＰ障壁層で構成された超格子クラッド層を約８
００Å厚さ成長する。この層の上に量子井戸活性層であ
るＧａＩｎＰ層を１００Å厚さ成長し、同様にノンドー
プの８．４Å厚さのＧａＩｎＰ井戸層と５．６Å厚さの
ＡｌＩｎＰ障壁層で構成された超格子クラッド層を約８
００Å厚さ成長する。
基板上にＳｉドープｎ型ＧａＡｓ（以下ＧａＡｓ：Ｓｉ
と記す）バッファー層を０．２μｍ、ｎ型ＧａＩｎＰ：
Ｓｉバッファー層を０．２μｍ、ｎ型ＡｌＩｎＰ：Ｓｉ
クラッド層を０．６μｍを順次積層する。次にノンドー
プの８．４Å厚さのＧａＩｎＰ井戸層と５．６Å厚さの
ＡｌＩｎＰ障壁層で構成された超格子クラッド層を約８
００Å厚さ成長する。この層の上に量子井戸活性層であ
るＧａＩｎＰ層を１００Å厚さ成長し、同様にノンドー
プの８．４Å厚さのＧａＩｎＰ井戸層と５．６Å厚さの
ＡｌＩｎＰ障壁層で構成された超格子クラッド層を約８
００Å厚さ成長する。
【００３７】次に、ｐ型ドーピングした多重量子障壁
（厚さ約８３０Å）を成長する。その構造は、５回周期
の１０原子層（２８．３Å）ＧａＩｎＰ／１０原子層Ａ
ｌＩｎＰと、７回周期の６原子層（１７Å）ＧａＩｎＰ
／６原子層ＡｌＩｎＰと、９回周期の４原子層（１４．
２Å）ＧａＩｎＰ／４原子層ＡｌＩｎＰをこの順に成長
した構造とした。この上にｐ型ＡｌＩｎＰ：Ｂｅクラッ
ド層を０．６μｍ、ｐ型キャップ層ＧａＩｎＰ：Ｂｅを
０．１μｍ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を０．１５μｍ
積層する。
（厚さ約８３０Å）を成長する。その構造は、５回周期
の１０原子層（２８．３Å）ＧａＩｎＰ／１０原子層Ａ
ｌＩｎＰと、７回周期の６原子層（１７Å）ＧａＩｎＰ
／６原子層ＡｌＩｎＰと、９回周期の４原子層（１４．
２Å）ＧａＩｎＰ／４原子層ＡｌＩｎＰをこの順に成長
した構造とした。この上にｐ型ＡｌＩｎＰ：Ｂｅクラッ
ド層を０．６μｍ、ｐ型キャップ層ＧａＩｎＰ：Ｂｅを
０．１μｍ、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を０．１５μｍ
積層する。
【００３８】比較の意味で、従来前述の高木らにより提
案された多重量子障壁構造を組み込んだ量子井戸レーザ
結晶（前記「多重量子障壁（ＭＱＢ）の設計と電子波反
射効果の実験的検証」，電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ
Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｃ−ＩＮｏ．１２，ｐｐ．５２７−
５３５，１９９１年１２月参照）と多重量子障壁のない
普通の量子井戸レーザ結晶を作製した。伊賀らの多重量
子障壁構造は、第一障壁層が２００Åで１７Å−ＧａＩ
ｎＰ／１４．３Å−ｌＩｎＰを１０回周期持つ構造であ
る。この多重量子障壁以外の構造は全て同様とした。
案された多重量子障壁構造を組み込んだ量子井戸レーザ
結晶（前記「多重量子障壁（ＭＱＢ）の設計と電子波反
射効果の実験的検証」，電子情報通信学会論文誌Ｃ−Ｉ
Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｃ−ＩＮｏ．１２，ｐｐ．５２７−
５３５，１９９１年１２月参照）と多重量子障壁のない
普通の量子井戸レーザ結晶を作製した。伊賀らの多重量
子障壁構造は、第一障壁層が２００Åで１７Å−ＧａＩ
ｎＰ／１４．３Å−ｌＩｎＰを１０回周期持つ構造であ
る。この多重量子障壁以外の構造は全て同様とした。
【００３９】このようにして作製したレーザ結晶をブロ
ードエリアテストで評価した。パルス電流の幅は２５０
ｎｓで、デューティー比は１／３２００とした。発振波
長は６６４±５ｎｍであった。先ず、しきい値電流密度
（Ｊth）と共振器長さの逆数（１／Ｌｃ）の関係を図８
に示す。図中、点線は多重量子障壁のない単一量子井戸
レーザ結晶の特性を示し、破線は従来の多重量子障壁を
設けた単一量子井戸レーザ結晶の特性を示し、実線は本
発明の多重量子障壁構造を組み込んだ単一量子井戸レー
ザ結晶の特性を示している。共振器長さが１ｍｍ（１／
Ｌｃ＝１０ｃｍ-1）の場合、通常の単一量子井戸（ＳＱ
Ｗ）レーザのしきい値電流密度Ｊthは約１０００Ａ／ｃ
ｍ2 であるのに対し、本発明の多重量子障壁構造を導入
したレーザのしきい値電流密度Ｊthは、７５０Ａ／ｃｍ
2 と非常に低い値になった。また、共振器長さが５００
μｍの場合でもしきい値電流密度Ｊthは平均で８４０Ａ
／ｃｍ2 と低く非常に良好な値を示した。さらに２５０
μｍと短くしても、他のレーザに比べてしきい値電流密
度Ｊthの増加分が小さい。
ードエリアテストで評価した。パルス電流の幅は２５０
ｎｓで、デューティー比は１／３２００とした。発振波
長は６６４±５ｎｍであった。先ず、しきい値電流密度
（Ｊth）と共振器長さの逆数（１／Ｌｃ）の関係を図８
に示す。図中、点線は多重量子障壁のない単一量子井戸
レーザ結晶の特性を示し、破線は従来の多重量子障壁を
設けた単一量子井戸レーザ結晶の特性を示し、実線は本
発明の多重量子障壁構造を組み込んだ単一量子井戸レー
ザ結晶の特性を示している。共振器長さが１ｍｍ（１／
Ｌｃ＝１０ｃｍ-1）の場合、通常の単一量子井戸（ＳＱ
Ｗ）レーザのしきい値電流密度Ｊthは約１０００Ａ／ｃ
ｍ2 であるのに対し、本発明の多重量子障壁構造を導入
したレーザのしきい値電流密度Ｊthは、７５０Ａ／ｃｍ
2 と非常に低い値になった。また、共振器長さが５００
μｍの場合でもしきい値電流密度Ｊthは平均で８４０Ａ
／ｃｍ2 と低く非常に良好な値を示した。さらに２５０
μｍと短くしても、他のレーザに比べてしきい値電流密
度Ｊthの増加分が小さい。
【００４０】これに対し、従来の多重量子障壁を有する
レーザのしきい値電流密度Ｊthは、共振器が長い場合は
８７０Ａ／ｃｍ2 と比較的低いが、共振器長さを短くす
るとしきい値電流密度が大きく増加し、多重量子障壁構
造をもたないレーザとの差異はあまり見られない。一般
に、共振器長さが短くなるとレーザ発振に必要な利得が
大きくなり、注入される電子の密度が高くなる。電子密
度が高くなると電子のオーバーフローが発生しやすくな
る。Ｘ点の電子のオーバーフローが抑制されていない従
来の多重量子障壁構造では、電子は低反射率のＸ点の通
路を通って容易にオーバーフローする。図８のグラフは
その事実を反映していると見ることができる。
レーザのしきい値電流密度Ｊthは、共振器が長い場合は
８７０Ａ／ｃｍ2 と比較的低いが、共振器長さを短くす
るとしきい値電流密度が大きく増加し、多重量子障壁構
造をもたないレーザとの差異はあまり見られない。一般
に、共振器長さが短くなるとレーザ発振に必要な利得が
大きくなり、注入される電子の密度が高くなる。電子密
度が高くなると電子のオーバーフローが発生しやすくな
る。Ｘ点の電子のオーバーフローが抑制されていない従
来の多重量子障壁構造では、電子は低反射率のＸ点の通
路を通って容易にオーバーフローする。図８のグラフは
その事実を反映していると見ることができる。
【００４１】次に、外部微分量子効率の逆数と共振器長
さの関係を図９に示す。図中、点線は多重量子障壁のな
い単一量子井戸レーザ結晶の特性を示し、破線は従来の
多重量子障壁を設けた単一量子井戸レーザ結晶の特性を
示し、実線は本発明の多重量子障壁構造を組み込んだ単
一量子井戸レーザ結晶の特性を示している。本発明の多
重量子障壁構造を有するレーザの外部量子効率は、共振
器長さを短くするとほぼ単調に増加し、最高で約５０％
に達している。すなわち、望ましいレーザ特性が得られ
ている。これに対し、従来の多重量子障壁構造を有する
レーザでは、共振器長さが５００μｍ以下になるとその
効率は大きく低下し、多重量子障壁のないレーザとあま
り変わらない。これも上記で述べた理由で、電子のオー
バーフローが抑制されていないことを示していると考え
られる。
さの関係を図９に示す。図中、点線は多重量子障壁のな
い単一量子井戸レーザ結晶の特性を示し、破線は従来の
多重量子障壁を設けた単一量子井戸レーザ結晶の特性を
示し、実線は本発明の多重量子障壁構造を組み込んだ単
一量子井戸レーザ結晶の特性を示している。本発明の多
重量子障壁構造を有するレーザの外部量子効率は、共振
器長さを短くするとほぼ単調に増加し、最高で約５０％
に達している。すなわち、望ましいレーザ特性が得られ
ている。これに対し、従来の多重量子障壁構造を有する
レーザでは、共振器長さが５００μｍ以下になるとその
効率は大きく低下し、多重量子障壁のないレーザとあま
り変わらない。これも上記で述べた理由で、電子のオー
バーフローが抑制されていないことを示していると考え
られる。
【００４２】以上のように、本発明の多重量子障壁構造
を組み込んだレーザ結晶は、そのレーザ特性の評価結果
から電子のオーバーフローが抑制されていた。
を組み込んだレーザ結晶は、そのレーザ特性の評価結果
から電子のオーバーフローが抑制されていた。
【００４３】
【発明の効果】（１）電子・正孔のオーバーフローが抑
制されるので、しきい値電流密度が低く、効率が高く、
温度特性のよい半導体レーザを作製することができる。
制されるので、しきい値電流密度が低く、効率が高く、
温度特性のよい半導体レーザを作製することができる。
【００４４】（２）電子・正孔のオーバーフロが抑制さ
れるので、注入キャリアー量の多い高出力半導体レーザ
の特性を向上させることができる。
れるので、注入キャリアー量の多い高出力半導体レーザ
の特性を向上させることができる。
【００４５】（３）クラッド層の実効的なバンドギャッ
プが拡大されるので、活性層のバンドギャップを大きく
しても、電子・正孔の活性層からクラッド層へのオーバ
ーフローは発生しにくく、赤色より短波長である橙色か
ら黄色の半導体レーザの作製が可能になる。
プが拡大されるので、活性層のバンドギャップを大きく
しても、電子・正孔の活性層からクラッド層へのオーバ
ーフローは発生しにくく、赤色より短波長である橙色か
ら黄色の半導体レーザの作製が可能になる。
【００４６】（４）多重量子障壁をＧａＡｓ基板側に設
けた場合、超格子である多重量子障壁が成長層の結晶性
を高めるバッファー層の役割を果たすのでレーザ特性が
向上する。
けた場合、超格子である多重量子障壁が成長層の結晶性
を高めるバッファー層の役割を果たすのでレーザ特性が
向上する。
【図１】 （Ａｌx Ｇａ1-x ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ材料のエ
ネルギーバンド図である。
ネルギーバンド図である。
【図２】 ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰ多重量子障壁による
Ｘ点の電子の反射率を示すグラフである。
Ｘ点の電子の反射率を示すグラフである。
【図３】 ＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰ多重量子障壁による
Γ点の電子の反射率を示すグラフである。
Γ点の電子の反射率を示すグラフである。
【図４】 種類の異なる井戸層と障壁層で構成した多重
量子障壁による電子の反射率反射率を示すグラフであ
る。
量子障壁による電子の反射率反射率を示すグラフであ
る。
【図５】 別の種類の異なる井戸層と障壁層で構成した
多重量子障壁による電子の反射率反射率を示すグラフで
ある。
多重量子障壁による電子の反射率反射率を示すグラフで
ある。
【図６】 本発明の半導体レーザ装置の実施例を模式的
に示す断面図である。
に示す断面図である。
【図７】 本発明の半導体レーザ装置の他の実施例を模
式的に示す断面図である。
式的に示す断面図である。
【図８】 しきい値電流密度と共振器長さの逆数の関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図９】 外部微分量子効率の逆数と共振器長さの関係
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図１０】 従来提案されたＧａＩｎＰ井戸層と（Ａｌ
0.7 Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5 Ｐ障壁層で構成した多重量
子障壁を有する半導体レーザにおけるΓ点とＸ点のバン
ド構造を示す説明図である。
0.7 Ｇａ0.3 ）0.5Ｉｎ0.5 Ｐ障壁層で構成した多重量
子障壁を有する半導体レーザにおけるΓ点とＸ点のバン
ド構造を示す説明図である。
【図１１】 従来提案された多重量子障壁のΓ点の電子
の反射率である。
の反射率である。
【図１２】 従来提案された多重量子障壁のＸ点の電子
の反射率である。
の反射率である。
１…基板、２，３…バッファー層、４…クラッド層、５
…超格子クラッド層、６…活性層、７…多重量子障壁、
８…クラッド層、９…キャップ層、１０…コンタクト層
…超格子クラッド層、６…活性層、７…多重量子障壁、
８…クラッド層、９…キャップ層、１０…コンタクト層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白木 靖寛 東京都日野市平山３−36−９ 東京大学先 端科学技術研究センター内
Claims (6)
- 【請求項１】 活性層とこれを挟むクラッド層を基本構
成要素とする半導体レーザ装置において、活性層とクラ
ッド層の間あるいは活性層に近いクラッド層の中に、逆
格子空間のΓ点近傍の電子或いは正孔に対する反射率
と、他の一つ以上の主要な対称点近傍の電子或いは正孔
に対する反射率とがともに高い井戸層と障壁層を重ね合
わせた多重量子障壁層を有することを特徴とする半導体
レーザ装置。 - 【請求項２】 前記多重量子障壁層が、特性の異なる多
重量子障壁層を積層することにより構成されていること
を特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項３】 前記多重量子障壁層の構成材料が、Ａｌ
ＧａＩｎＰ系材料であることを特徴とする請求項１記載
の半導体レーザ装置。 - 【請求項４】 前記多重量子障壁層が、ＧａＩｎＰ井戸
層とＡｌＩｎＰ障壁層とから成る一対の層を積層するこ
とにより構成されていることを特徴とする請求項３記載
の半導体レーザ装置。 - 【請求項５】 前記多重量子障壁層が、積層された第
１、第２及び第３の層からなり、前記第１の層は各々１
０原子層の井戸層と障壁層が交互に積層されて構成され
ており、前記第２の層は各々６原子層の井戸層と障壁層
が交互に積層されて構成されており、前記第３の層は各
々４原子層の井戸層と障壁層が交互に積層されて構成さ
れていることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ
装置。 - 【請求項６】 前記多重量子障壁層が、積層された第
１、第２及び第３の層からなり、前記第１の層は各々２
５〜３５Å厚さの井戸層と障壁層が交互に積層されて構
成されており、前記第２の層は各々１５〜２５Åの井戸
層と障壁層が交互に積層されて構成されており、前記第
３の層は各々１０〜１５Åの井戸層と障壁層が交互に積
層されて構成されていることを特徴とする請求項４記載
の半導体レーザ装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5157740A JPH06326406A (ja) | 1993-03-18 | 1993-06-28 | 半導体レーザ装置 |
| US08/214,235 US5425041A (en) | 1993-03-18 | 1994-03-17 | Multiquantum barrier laser having high electron and hole reflectivity of layers |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5-59085 | 1993-03-18 | ||
| JP5908593 | 1993-03-18 | ||
| JP5157740A JPH06326406A (ja) | 1993-03-18 | 1993-06-28 | 半導体レーザ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06326406A true JPH06326406A (ja) | 1994-11-25 |
Family
ID=26400118
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5157740A Pending JPH06326406A (ja) | 1993-03-18 | 1993-06-28 | 半導体レーザ装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JPH06326406A (ja) |
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